Журнал «Юный техник» - Юный техник, 2005 № 05

Расход топлива на 100 км:

городской цикл… 14,2 л

загородный цикл… 7,9 л

Емкость бака… 60 л

Количество дверей… 5

Мопед, а тем более мотоцикл в тишине слышно за километр. И все же создать мопед, движущийся бесшумно, словно кошка, вполне возможно.

Чрезмерная шумность мопедов и мотоциклов объясняется отчасти тем, что на них негде разместить хороший глушитель. Но даже если бы это удалось, их шум бы снизился всего лишь до шума автомобильного двигателя: он тонет в грохоте современной улицы, но ранним утром способен разбудить целый квартал.

На Западе уже лет тридцать назад начали продавать мопеды и мотоциклы с электромоторами. У них нет выхлопа, а двигатель почти не слышен. Однако большого распространения они не получили, поскольку могут проехать без подзарядки всего лишь 20–25 км, а этого даже для небольшого городка маловато.

И все же создать бесшумный мопед с дальностью пробега до 100 км вполне возможно, если применить воздушно-тепловой двигатель замкнутого цикла. Одна из возможных схем его показана на рисунке 1.

Этот поршневой двигатель состоит из двух цилиндров с поршнями, соединенными общим штоком. В процессе работы они совершают возвратно-поступательное движение, а полезную работу отдают на вал при помощи механизма, о котором мы расскажем ниже. Нижний цилиндр сжимает воздух и закачивает его в теплообменник, выполненный в виде змеевика, подогреваемого горелкой. При нагревании объем воздуха возрастает, и небольшая его порция через кран-золотник поступает в другой цилиндр. Затем кран закроется, и воздух начнет толкать поршень, расширяясь под действием своей внутренней энергии и совершая при этом работу! В конце рабочего хода открывается выпускной золотник. Поршень начинает двигаться в обратном направлении и выталкивает воздух.

Совершая работу на протяжении рабочего хода, воздух расходует свою внутреннюю энергию и остывает. Однако температура его все еще высока, и потому он направляется в холодильник. Так условно называется змеевик, через стенки которого воздух отдает свое тепло окружающей среде. После этого он снова поступает в левый цилиндр для сжатия.

Таким образом, воздух прошел по замкнутому пути и совершил цикл, при котором тепло частично перешло в механическую энергию. Весь этот процесс называется замкнутым термодинамическим циклом. КПД этого цикла возрастает с увеличением температуры нагревания воздуха. Пределом ее, вообще говоря, является прочность металла змеевика, а реально ее ограничивают наши технологические возможности: прочность соединений, работоспособность золотников и поршней при высоких температурах. Для любительских конструкций она не превышает 400 °C. При этом КПД может достигать 10–15 %. Если учесть, что КПД двигателя мопеда лежит в пределах 5—10 %, это не так уж мало.

Очень часто воздушно-тепловые двигатели делали по классической схеме с двумя кривошипно-шатунными механизмами. КПД их был очень низок, так как из-за необходимости работы при очень низкой температуре, обусловленной стойкостью материала теплообменника, затраты мощности на сжатие составляют около 70 % мощности, получаемой при расширении. Эта мощность от поршня цилиндра расширения к поршню цилиндра сжатия передается через два кривошипно-шатунных механизма. Потери на трение в этом случае не складываются, а перемножаются, и выходит, что процесс сжатия отнимает до 90 % по энергии.

В двигателях внутреннего сгорания, откуда такая механическая схема была скопирована, затраты мощности на сжатие не превышают 20–40 % и на их экономичность почти не влияют.

Однако давно известны механизмы, позволяющие передать мощность от поршня к поршню без потерь. Для этого поршни в них просто-напросто соединяются штоком.

Схема кривошипно-кулисного двигателя, показанная на рисунке 2, работала в воздушно-тепловом двигателе одного из наших читателей.

Вот как он был устроен. Обратите внимание на ряд отверстий в конце обоих цилиндров. При повороте кривошипа в цилиндре сжатия возникает разрежение. Воздух из других полостей двигателя в него попасть не может благодаря наличию обратного клапана. Как только кромка поршня пройдет мимо ряда отверстий, воздух ворвется в цилиндр, заполнит его и, едва поршень изменит направление движения, сразу начнется такт сжатия. При этом он протолкнет воздух через теплообменник, где тот нагреется, и пошлет его в расширительный цилиндр. Здесь воздух совершит работу, но давление его еще не снизится до первоначального.